2ºPARTE_GUÍA_DIDÁCTICA_MÁQUINAS_TÉRMICAS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

GRADO

GUÍA DE ESTUDIO DE LA ASIGNATURA MÁQUINAS TÉRMICAS

2ª PARTE | PLAN DE TRABAJO Y ORIENTACIONES PARA SU DESARROLLO

2013-2014

Marta Muñoz DomínguezAntonio Rovira de Antonio

GRADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA

GRADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

MÁQUINAS TÉRMICAS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA 2

1.- PLAN DE TRABAJO A continuación, en la tabla adjunta, se presenta el plan de actividades a realizar, así como el cronograma previsto para su realización, considerando que la primera semana se corresponde con la primera del mes de octubre, al tratarse de una asignatura del 1º cuatrimestre. Evidentemente se trata de una propuesta y cada estudiante, dependiendo de su situación, podrá adaptarla a sus necesidades. No obstante, es importante destacar que la asignatura Máquinas Térmicas requiere una asimilación gradual de los contenidos, combinando el estudio teórico con la realización de ejercicios prácticos, además de una base sólida en termodinámica, fundamentalmente. Por tanto, es imprescindible realizar un trabajo continuo a lo largo del cuatrimestre para superar con éxito la asignatura. En el siguiente apartado se incluirán recomendaciones concretas para afrontar el estudio de los distintos temas.

CONTENIDOS PLAN DE ACTIVIDADES

Bloque temático 1: GENERALIDADES (3 semanas)

Semana 1ª: capítulo 1 y capítulo 2

Capítulo 1. MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS. GENERALIDADES

Concepto de máquina térmica. Motores térmicos de combustión interna y de combustión externa. Distinción entre máquina térmica y motor térmico. Rendimiento de los motores térmicos. Cogeneración. Campos de aplicación de los motores térmicos.

Realizar una primera lectura del capítulo 1.

CAPÍTULO 2. PROCESOS EN FLUIDOS COMPRESIBLES

Procesos termodinámicos de importancia en el estudio de las máquinas y los motores térmicos. Principios y ecuaciones que rigen el comportamiento de los flujos compresibles. Propiedades termodinámicas de mezclas de gases ideales. El Factor de Carnot. Rendimiento máximo de los motores térmicos. Conceptos de velocidad del sonido, número de mach y onda de choque. Expansión y compresión en conductos, toberas y difusores. Expansión en conductos convergentes. Comportamiento del fluido en un conducto convergente- divergente. Evaluación de las pérdidas en

Revisar el capítulo 2 para detectar posibles lagunas de formación. Estudiar a fondo en caso necesario.

Realizar los ejercicios propuestos al final del capítulo como autoevaluación.

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toberas y difusores.

Semana 2ª: capítulos 3 y 4.

Capítulo 3. FUNDAMENTOS DE LA COMBUSTIÓN

Fenómenos que intervienen en el proceso de combustión. Ecuaciones de gobierno. Reacción estequiométrica. Combustión completa con exceso de aire. Mecanismo de la reacción de combustión. Combustión incompleta. Balance energético en procesos de combustión. Temperatura adiabática de la llama Clasificación de los procesos de combustión. Autoinflamación de la mezcla aire-combustible. Llamas de premezcla. Deflagración. Detonación. Llamas de difusión.

Estudiar el capítulo 3, prestando especial atención a los ejemplos resueltos.

Capítulo 4. COMBUSTIBLES EMPLEADOS EN SISTEMAS Y MOTORES TÉRMICOS

Clasificación de los combustibles. Combustibles de origen fósil. Características y aplicaciones. Combustibles alternativos o de sustitución. Características y aplicaciones. Propiedades de los combustibles relacionadas con la composición. Propiedades físicas del combustible. Propiedades químicas del combustible. Comportamiento del combustible en relación con la combustión. Propiedades más importantes de los principales combustibles.

Estudiar el capítulo 4, siguiendo las recomendaciones recogidas en el apartado 3 de esta guía.

Bloque temático 2: MÁQUINAS Y MOTORES VOLUMÉTRICOS (3 semanas)

Semana 3ª a 5ª: capítulos 5, 6 y 7

Capítulo 5. GENERALIDADES DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS

Componentes y procesos básicos de un motor de combustión interna alternativo. Clasificación de los MCIA. Evolución del fluido de trabajo durante el funcionamiento del motor. Diagrama p-alfa y diagrama del indiciador. Curvas características del motor. Ciclos del aire equivalente de volumen constante. Ciclo de aire equivalente de presión limitada.

Estudiar el capítulo 5, prestando especial atención a los ejemplos resueltos.

Comprender los procesos que tienen lugar en los motores, su estudio termodinámico e interpretar los diagramas termodinámicos.

Realizar ejercicios del libro de problemas relativos a este tema.

Memorizar el orden de magnitud de los rendimientos efectivos, presiones medias efectivas y consumos específicos.

Realizar los problemas de los exámenes de años anteriores de esta parte de la materia.

MÁQUINAS TÉRMICAS


Capítulo 6. EL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO PROVOCADO Y EN LOS MOTORES DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN

Tipos de combustión en motores de combustión interna alternativos. Combustión en MEP. Conceptos básicos de combustión en MEP. Factores que influyen en la determinación del avance del encendido. Combustión anormal en MEP. Combustión detonante y encendido superficial. Combustión en MEC. Principales funciones de la inyección en MEC. Micromezcla y macromezcla. Fases de la combustión. Factores que influyen en el diagrama p-alfa. Motores duales. Motores de mezcla estratificada. Motores de combustión HCCI.

Estudiar el capítulo 6, siguiendo las recomendaciones recogidas en el apartado 3 de esta guía.

Hacer un esquema con las ideas más importantes.

Capítulo 7. COMPRESORES VOLUMÉTRICOS

Definición y clasificación. Compresores alternativos: Principio de funcionamiento. Análisis termodinámico. Diagrama p-V. Rendimiento volumétrico. Selección de la cilindrada. Rendimiento isotermo. Compresión en etapas. Tipos y configuraciones mecánicas. Campos de aplicación. Compresores alternativos de membrana. Métodos de regulación de los compresores alternativos. Compresores rotativos. Compresores de tornillo: Principio de funcionamiento. Diagramas p-V. Tipos. Ventajas e inconvenientes. Compresores de paletas. Principio de funcionamiento y tipos. Compresores Scroll: Principio de funcionamiento. Compresores Roots: Principio de funcionamiento. Diagramas p-V. Campos de aplicación de los compresores rotativos. Soplantes y bombas de vacío.

Estudiar el capítulo 7 de la Unidad Didáctica, siguiendo las recomendaciones recogidas en el apartado 3 de esta guía.

Ver la presentación multimedia en pdf titulada “compresor volumétrico alternativo”. Descargarla del curso virtual.

Hacer los problemas incluidos en el libro de problemas relativos a esta parte (2 problemas).

Comprobar en los enunciados de los exámenes ITFeb07_1, ITFeb08_1, las fórmulas que se van a proporcionar en este tipo de problemas.

Correr el programa de simulación de compresores volumétricos (práctica virtual COMPRESOR VOLUMÉTRICO

ALTERNATIVO) siguiendo las indicaciones que aparecen en el manual de usuario. Tanto el programa como el manual se deben descargar desde el curso virtual.

Bloque temático 3: PLANTAS DE POTENCIA BASADAS EN TURBINAS DE GAS Y TURBINAS DE VAPOR

(5 semanas)

Semanas 6ª a 10ª : capítulos 8, 9, 10 y 11

Capítulo 8. TURBINAS DE GAS PARA LA OBTENCIÓN DE POTENCIA MECÁNICA (primera parte)

Tipos de instalaciones. Análisis termodinámico de los ciclos de aire ideales. Elección de los parámetros del ciclo termodinámico de una turbina de gas en los casos de: ciclo simple, simple regenerativo, ciclo compuesto, compuesto regenerativo. Comportamiento de las turbinas de gas en el punto de diseño.

Estudiar el capítulo 8 de la Unidad Didáctica, prestando especial atención a los ejemplos resueltos.

Hacer algunos ejercicios del libro de problemas sobre este tema (al menos 5 de los 17 propuestos) como actividad de autoevaluación.

Revisar la práctica virtual CICLOS TG y simular diferentes tipos de ciclos, siguiendo las instrucciones del manual.

Como actividad de autoevaluación conteste a las cuestiones 4, 8 y el problema del enunciado del examen

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ITFeb08_1. Asimismo conteste a las cuestiones 6 y 10 del examen ITSep08. Las soluciones están disponibles en el curso virtual.

Capítulo 9. TURBINAS DE GAS PARA LA OBTENCIÓN DE POTENCIA MECÁNICA (segunda parte)

Criterios de diseño de las instalaciones de turbina de gas. Evolución en el diseño y estado del arte de las turbinas de gas. Regulación de potencia de las turbinas de gas industriales. Cogeneración con turbinas de gas. Principio de funcionamiento de las turbinas de gas de aviación. Turborreactor. Esquema mecánico y principio de funcionamiento. Descripción del proceso de combustión en turbinas de gas. Sistemas de control de la contaminación en turbinas de gas.

Estudiar el capítulo 9, haciendo un esquema de las ideas más importantes.

Semana 8ª PREPARACIÓN Y REALIZACIÓN DE:

1º PED

Repasar los capítulos estudiados hasta la fecha. Realizar el test de autoevaluación disponible en el curso

virtual. Manejar las prácticas virtuales CICLOS TG y COMPRESOR

VOLUMÉTRICO ALTERNATIVO. Revisar los exámenes de otros años. Hacer otros problemas de los propuestos en el libro de

problemas resueltos. Entrega de la PED OBLIGATORIA basada en las prácticas

virtuales COMPRESOR VOLUMÉTRICO ALTERNATIVO Y CICLOS

TG, también durante el fin de semana.

Capítulo 10. INSTALACIONES DE POTENCIA BASADAS EN TURBINAS DE VAPOR

Componentes principales de las instalaciones de potencia basadas en turbinas de vapor. Ciclo de Rankine Influencia de los parámetros termodinámicos de las centrales de ciclo de vapor Influencia de la presión del vapor a la entrada de la turbina. Influencia de la temperatura del vapor vivo. Influencia de la presión de condensación. Ciclos de vapor utilizados en grandes centrales de vapor. Ciclos de vapor con recalentamiento intermedio. Ciclos de vapor regenerativos. Turbinas de vapor en usos industriales. Cogeneración en plantas de ciclo de vapor. Turbinas con toma intermedia. Turbinas de contrapresión. Generadores de vapor. Definición y clasificación de las calderas. Clasificación de las calderas. Descripción de las calderas. Procesos que tienen lugar en las calderas. Parámetros y fundamentos del diseño de calderas

Estudiar el capítulo y realizar los ejemplos del texto. Realizar ejercicios relativos a este capítulo del libro de

problemas. Realizar los problemas de los exámenes de años

anteriores de esta parte de la materia. Manejar las prácticas virtuales CICLOS DE VAPOR.

MÁQUINAS TÉRMICAS


Capítulo 11. CICLOS COMBINADOS GAS-VAPOR

Generalidades de ciclos combinados: Clasificación. Fundamentos termodinámicos. Esquema general de una planta de ciclo combinado de turbina de gas y de vapor y tipos de montaje. Características de las turbinas de gas e influencia en el comportamiento del ciclo combinado. Influencia de la relación de compresión. Influencia de la temperatura de entrada a la turbina. Influencia de la temperatura de escape. Tipos de ciclos empleados. Caldera de recuperación de calor. Definición, Tipos de calderas. Parámetros relevantes. Irreversibilidades. Características del ciclo de vapor e influencia en el comportamiento del ciclo combinado. Influencia de la presión de los diferentes niveles. Influencia de la temperatura. Tipos de ciclos y configuraciones empleadas

Estudiar el capítulo y realizar los ejemplos del texto. Realizar los problemas de los exámenes de años

anteriores de esta parte de la materia. Manejar las prácticas virtuales CICLOS COMBINADOS.

Bloque temático 4: TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS (4 semanas)

Semanas 11ª a 14ª

Capítulo 12. CONCEPTOS BÁSICOS GENERALES SOBRE TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS

Ecuación fundamental de las turbomáquinas. Análisis del intercambio energético que tiene lugar en las turbomáquinas. Estructura de las turbomáquinas térmicas. Clasificación de las turbomáquinas. Aplicación de las ecuaciones y conceptos anteriores a turbinas y compresores. Tipos de escalonamientos.: turbomáquinas axiales de reacción y de acción. Turbocompresores axiales. Turbomáquinas radiales. Turbinas centrípetas. Turbocompresores centrífugos. Criterios que se utilizan para definir el rendimiento de las turbomáquinas. Origen de las pérdidas en las turbomáquinas. Potencia interna y potencia efectiva.

Repasar de nuevo el epígrafe 2.7 del capítulo 2 relativo a la expansión y difusión en conductos.

Estudiar el capítulo 12 de la Unidad Didáctica, analizando detenidamente los 4 ejemplos resueltos.

Capítulo 13. TURBINAS AXIALES

Campos de aplicación de las turbinas axiales y de las turbinas centrípetas. Parámetros que definen la geometría de una corona de álabes y el flujo que la atraviesa. Relación entre la geometría de la máquina y los triángulos de velocidades. Parámetros que permiten definir el diagrama de velocidades en un escalonamiento de turbina. Factores de los que dependen las pérdidas y el rendimiento en los

Estudiar el capítulo 13 de la Unidad Didáctica, analizando detenidamente los 7 ejemplos resueltos.

Revisar la explicación en pdf del diagrama h-s y los triángulos de velocidades de los distintos tipos de escalonamientos de turbina axial: de acción y de reacción.

Hacer ejercicios del libro de problemas sobre este tema como actividad de autoevaluación (al menos 4 de los 13 propuestos).

Revisar las prácticas virtuales CASCADAS Y TURBINA


escalonamientos de turbinas axiales. Importancia del diagrama de velocidades en el prediseño de la máquina. Valores óptimos de los parámetros que caracterizan la forma del diagrama de velocidades. Comparación entre escalonamientos de acción y reacción. Justificación de la necesidad de fraccionar el salto en una turbina axial. Rendimiento de una turbina formada por múltiples escalonamientos.

AXIAL y simular diferentes tipos de escalonamientos, siguiendo las recomendaciones del guión de prácticas que se puede descargar en el curso virtual.

Capítulo 14. COMPRESORES AXIALES

Parámetros de los que dependen las pérdidas en compresores axiales. Correlaciones de pérdidas. Valores óptimos de los parámetros que caracterizan la forma del diagrama de velocidades. Razón por la que es necesario utilizar múltiples escalonamientos en compresores axiales. Relación entre el rendimiento de los escalonamientos que componen la máquina y el rendimiento del turbocompresor en su conjunto. Consideraciones sobre el diseño de turbomáquinas axiales. Comparación entre compresores axiales, centrífugos y volumétricos.

Estudiar el capítulo 14 de la Unidad Didáctica, analizando los 6 ejemplos resueltos.

Revisar la explicación en pdf del diagrama h-s y los triángulos de velocidades de un escalonamiento de compresor axial.

Hacer ejercicios del libro de problemas sobre este tema como actividad de autoevaluación (al menos 3 de los 5 propuestos).

Revisar la práctica virtual COMPRESOR AXIAL siguiendo las recomendaciones del guión de prácticas que se puede descargar en el curso virtual.

Como actividad de autoevaluación de este bloque temático conteste a las cuestiones 6 y 7 del enunciado del examen ITFeb08_1, así como las correspondientes a esta parte del test de autoevaluación. Las soluciones están disponibles en el curso virtual.

Volver al capítulo 1 y releerlo. Ahora se podrán asimilar con facilidad todos los conceptos allí recogidos.

Semanas 15 y 16

Entrega de 2º ped

Preparación de prueba presencial

Entrega de la 2º PED basada en las prácticas virtuales CASCADAS Y TURBINA AXIAL durante el fin de semana de mediados de enero.

Primera semana de exámenes: última de enero Segunda semana de exámenes: mediados de febrero

Prácticas presenciales Asistencia a prácticas presenciales en el mes de marzo, 1 día en horario de mañana y tarde. Calendario elaborado por la secretaría de la Escuela y publicado en la página web del Centro con 2 meses de antelación, como mínimo.

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MÁQUINAS TÉRMICAS


CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

MESES OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE ENERO

Semanas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Capítulo 1

Capítulo 2

Capítulo 3

Capítulo 4

Capítulo 5

Capítulo 6

Inicio prepa-

ración Prueba

Presencial

Capítulo 7 .

Capítulo 8

Capítulo 9

Entrega 1º PED prácticas virtuales capítulos

7,8

Capítulo 10

Capítulo 11

Capítulo 12

Capítulo 13

Capítulo 14

Entrega 2º PED prácticas virtuales capítulos 10, 12 y 13

Asistencia a prácticas presenciales en marzo, según calendario de la Escuela

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2.- MATERIALES DE ESTUDIO Marta Muñoz Domínguez, Antonio Rovira de Antonio. Unidad Didáctica de Máquinas Térmicas. UNED

2011. Problemas resueltos de Motores Térmicos y Turbomáquinas Térmicas. Cuadernos de la UNED 2011. Nuria García Herranz, Marta Muñoz Domínguez. Prácticas virtuales de Ingeniería Térmica. Colección

Cuadernos de Prácticas. UNED 2005. Contiene las prácticas: CICLOS TG, CASCADAS, TURBINA AXIAL Y COMPRESOR AXIAL.

Curso virtual de la asignatura, al que se accede a través de Campus UNED. En la plataforma virtual se incluirá la siguiente información: pruebas de autoevaluación (con soluciones), información sobre prácticas presenciales, enunciado de prácticas virtuales, exámenes de cursos pasados, programas COMPRESOR VOLUMÉTRICO ALTERNATIVO, CICLOS DE VAPOR, y CICLOS COMBINADOS, y manuales de usuario, así como otros materiales de apoyo a la docencia (links de interés, respuesta a preguntas frecuentes, programas de radio grabados por el equipo docente, etcétera).

Explicaciones multimedia sobre contenidos que presentan mayor dificultad. Dichas explicaciones son relativas a los capítulos 7, 12, 13 y 14 y están disponibles en el curso virtual en formato pdf.

3.-ORIENTACIONES PARA EL ESTUDIO DE LOS CONTENIDOS

Es imprescindible que el alumno tenga conocimientos previos de termodinámica y de mecánica de fluidos, de manera que el alumno deberá haber cursado las asignaturas correspondientes: Termodinámica y alguna asignatura que aborde conceptos fundamentales de mecánica de fluidos, (por ejemplo, Mecánica de Fluidos I del plan de estudios del Grado en Ingeniería Mecánica de la UNED, Introducción a la Mecánica de Fluidos del plan de estudios del Grado en Ingeniería Eléctrica de la UNED, Introducción a la Ingeniería Fluidomecánica del plan de estudios del Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales de la UNED, o similar). No obstante, con el objetivo de facilitar el estudio y de poner de relieve qué conocimientos son indispensables para asimilar adecuadamente la materia, se ha incluido un capítulo, al que se ha denominado procesos en fluidos compresibles, en el que se revisan los conceptos que se consideran fundamentales para llegar entender, en profundidad, el principio de funcionamiento de los equipos y las máquinas térmicas que se estudian en la asignatura, así como de los ciclos en las que éstos intervienen. En cualquier caso, si el alumno comprueba que sus lagunas en los conocimientos previos requeridos son importantes y no le es suficiente con estudiar el capítulo del texto base, al que se ha hecho referencia, deberá recurrir a manuales específicos de termodinámica y mecánica de fluidos, donde estos conceptos se expliquen de forma más detallada. La materia está estructurada en cuatro bloques temáticos. A continuación se presenta una introducción general de cada uno de los bloques, para posteriormente proceder a realizar orientaciones específicas para el estudio de cada uno de los capítulos. En la Unidad Didáctica, texto básico de la asignatura, se han especificado los objetivos fundamentales de los distintos capítulos al inicio de éstos, por lo que no se va a repetir esta información en el presente documento.

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Bloque temático 1: GENERALIDADES

Este primer bloque temático está constituido por cuatro capítulos. Comienza con un capítulo en el que se presenta una panorámica general de los distintos tipos de máquinas y motores térmicos, destacando algunas diferencias básicas en su principio de funcionamiento y revisando los principales campos de aplicación en cada caso. Se trata de poner de manifiesto el papel fundamental que juegan los motores térmicos en el contexto de las transformaciones energéticas. A continuación se incluye un capítulo que presenta los conceptos básicos sobre procesos en flujos compresibles, al que ya se ha hecho referencia anteriormente. En el tercer capítulo de este bloque se analizan los distintos tipos de procesos de combustión desde una perspectiva general. Dicho capítulo pretende servir de referencia para el estudio de los equipos concretos en los que tiene lugar el proceso de combustión: motores de combustión interna alternativos, cámaras de combustión y calderas, e incluye una primera parte en la que se presentan los fundamentos de básicos de la combustión. Para terminar este bloque temático, el capítulo 4 revisa las propiedades fundamentales de los diferentes combustibles que liberan su energía mediante un proceso de combustión, comenzando por acometer una clasificación de los mismos atendiendo a distintos criterios.

Orientaciones específicas por capítulos:

Capítulo 1

Inicialmente se recomienda realizar una primera lectura del capítulo 1 con el fin de familiarizarse con los distintos tipos de máquinas y motores térmicos, sus campos de aplicación y la terminología de la asignatura. Consideramos que esta lectura proporcionará al estudiante motivación para estudiar la materia, al poner de manifiesto la importancia que tienen para la sociedad sus contenidos; cabe destacar que en la actualidad la gran mayoría de la energía mecánica y eléctrica consumida en el mundo se genera a través de máquinas y motores térmicos. No obstante, al inicio del curso el estudiante carece de los conocimientos suficientes para asimilar en profundidad los conceptos presentados en el capítulo 1. Dichos conceptos se van abordando en los sucesivos capítulos del temario, por lo que será importante volver a estudiar dicho capítulo una vez revisado el temario completo; en ese momento se asimilará fácilmente y permitirá al estudiante adquirir una panorámica general del alcance de la asignatura.

Capítulo 2

Como ya se ha indicado al comienzo del epígrafe 3, Se considera que la materia de este capítulo es “de repaso”, y que sus contenidos han sido estudiados fundamentalmente en Termodinámica. No obstante, en este capítulo se presentan aquellos conceptos que se consideran imprescindibles para asimilar fácilmente los nuevos contenidos abordados en la presente asignatura. Como base al estudio del capítulo 3, son importantes los epígrafes 2.3 y 2.4; como base al estudio de los capítulos 5, 7, 8, 10 y 11 son especialmente importantes los epígrafes 2.2, 2.3 y 2.5 y en el caso de los capítulos 12 a 14 son de particular importancia los epígrafes 2.7.1, 2.7.2 y 2.7.4.4.

Capítulo 3

Además de los objetivos que se presentan al inicio del capítulo, se podría destacar como resultado fundamental de aprendizaje el saber plantear el balance energético de la reacción de combustión, así como entender la relación que existe entre la entalpía de formación de reactantes y productos y el poder calorífico del combustible. Además, al finalizar el estudio del capítulo, el estudiante deberá tener claro, entre otros, los

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siguientes conceptos e ideas: temperatura adiabática de la llama, especies que forman los productos de la combustión en el caso de combustión estequiométrica, combustión completa con exceso de aire y combustión con defecto de aire; con qué parámetros se define el exceso de aire y qué diferencia existe entre la combustión con llama de difusión y llama de premezcla. En las pruebas presenciales no tendrá que desarrollar un tema, ni justificar desarrollos matemáticos, sino que deberá contestar a cuestiones concretas. Por tanto, no es necesario que trate de memorizar todos los detalles; se recomienda que después de estudiar éste o cualquier otro de los capítulos, confeccione resúmenes con las ideas fundamentales.

Capítulo 4

Además de alcanzar los objetivos enumerados en el texto base, el alumno debe hacer un esfuerzo en conocer composición aproximada de los principales combustibles y sus principales usos. También debe conocer las ventajas y desventajas de los combustibles alternativos frente a los clásicos. No es necesario memorizar los valores del poder calorífico, contenido en oxígeno, dosado estequiométrico, densidad, etc. pero sí los órdenes de magnitud y las unidades (en su caso).

Bloque temático 2: MÁQUINAS Y MOTORES VOLUMÉTRICOS

El segundo bloque temático está dedicado a las máquinas y motores volumétricos: los motores de combustión interna alternativos (capítulos 5 y 6) y los compresores volumétricos (capítulo 7). En relación con los primeros, no obstante, sólo se presentan los conceptos fundamentales que consideramos que es imprescindible que conozca un futuro Graduado en Ingeniería Eléctrica, entre los que cabe destacar: clasificación de los motores de combustión interna alternativos atendiendo a diferentes criterios, ciclos de trabajo, curvas características y particularidades de los procesos de combustión en los motores de encendido provocado y en los motores de encendido por compresión. El alumno que tenga interés por esta materia tendrá ocasión de profundizar en el diseño de estos motores cursando la asignatura optativa: Motores de Combustión Interna. El segundo bloque temático finaliza con el estudio de los distintos tipos de compresores volumétricos, máquinas térmicas generadoras que se utilizan en muy variadas aplicaciones. Ha parecido conveniente acometer el estudio de estas máquinas a continuación de los motores de combustión interna alternativos dado que una parte importante del capítulo se dedica al análisis de los compresores de tipo alternativo, que tienen ciertos parámetros y aspectos de diseño en común con los anteriores.


Capítulo 5

En el capítulo se estudian los fundamentos y las principales características de los motores de combustión interna alternativos. Antes de comenzar su estudio, conviene repasar los conceptos termodinámicos del capítulo 2, la explicación e información que proporcionan los diagramas p-V y T-s, así como los procesos que tienen lugar. Se debe distinguir bien entre los procesos ideales y los reales, conocer la influencia de los parámetros sobre las prestaciones del motor, los órdenes de magnitud de éstos, en especial los del rendimiento y las presiones medias efectivas. Asimismo es necesario adquirir soltura en la resolución de ejercicios numéricos.

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Capítulo 6

El capítulo trata los dos principales tipos de combustión en motores de combustión interna alternativos. Además de estudiar el capítulo, es interesante repasar el capítulo 3 y compararlo con los contenidos que en éste se estudian. También conviene repasar los combustibles empleados en estos tipos de motores. Es muy importante no confundir los motores de encendido provocado con los motores de encendido por compresión y tener los conceptos claros. También hay que prestar atención a qué se denomina tiempo de retraso en cada tipo de motor, ya que son conceptos parecidos pero no iguales. También hay que conocer y tener claros los tipos de combustión no deseada que se pueden dar, sabiendo indicar en qué tipo de motores puede darse cada una.

Capítulo 7

Este capítulo se dedica fundamentalmente al estudio de los compresores volumétricos alternativos. El resto de los compresores volumétricos se estudian de una forma meramente descriptiva y, como resultado del aprendizaje, el estudiante será capaz de distinguir unos tipos de otros en el aspecto constructivo y en cuanto a su principio de funcionamiento, pero de forma muy básica. Sin embargo, los compresores alternativos sí se estudian con relativa profundidad. Tras una lectura del punto 7.1 y 7.2 se recomienda visualizar la presentación en pdf en la que se comparan los diagramas p-V de los MCIA con el correspondiente a un compresor volumétrico alternativo. Es muy importante que revise de nuevo los epígrafes 2.2 y 2.3.7. Por otra parte, la aplicación informática COMPRESOR VOLUMÉTRICO ALTERNATIVO, junto con un breve manual de usuario, le permitirá constatar la influencia de ciertos parámetros sobre el comportamiento de los compresores, sin tener que realizar los cálculos, dado que las fórmulas del capítulo ya están implementadas en el programa. Debe seguir las recomendaciones del manual, que se descarga del curso virtual junto con el programa, para centrarse en lo fundamental y conseguir los beneficios didácticos que se persiguen. En el epígrafe 7.2 hay varios desarrollos matemáticos que conducen a una expresión final de la potencia que absorbe el compresor para una caudal, una relación de compresión y unas condiciones de aspiración determinadas. En las pruebas presenciales no se les va a pedir que reproduzcan dichos desarrollos; estos se incluyen en el texto para que se entienda a fondo el principio de funcionamiento y las hipótesis simplificativas realizadas para estimar la potencia. A lo largo del capítulo se insiste en las ideas y conclusiones fundamentales que sí deberá memorizar y saber explicar de forma razonada, sin recurrir a demostraciones matemáticas.

Bloque temático 3: PLANTAS DE POTENCIA BASADAS EN TURBINAS DE GAS Y TURBINAS DE VAPOR

El tercer bloque temático, más homogéneo en contenido, consta de cuatro capítulos que se dedican al estudio de las turbinas de gas (capítulos 8 y 9) incluyendo ciertas nociones sobre cámaras de combustión, las instalaciones de potencia basadas en turbinas de vapor (capítulo 10) incluyendo la descripción de las calderas asociadas y las plantas de ciclo combinado gas-vapor (capítulo 11), haciendo referencia en este caso al diseño de las calderas de recuperación de calor.

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Capítulo 8

Este capítulo comienza con una revisión de los distintos tipos de turbinas de gas, atendiendo a diferentes criterios, de forma que el estudiante relaciones con conceptos que se abordan a lo largo de los capítulos 8 y 9 con las instalaciones reales. No obstante, al igual que en el caso del capítulo 1, después de una primera lectura, se recomienda seguir con el estudio de los capítulos 8 y 9 y volver sobre este epígrafe para finalizar. Ese momento estará en disposición de asimilar profundamente los conceptos. Tan sólo un ejemplo: en el epígrafe 8.2 se menciona que las turbinas de gas se pueden clasificar según el origen de su diseño en turbinas de gas industriales y turbinas aeroderivadas. Los comentarios que se incluyen se asimilarán mucho mejor después de haber estudiado el epígrafe 9.5, en el que se explica el esquema constructivo y principio de funcionamiento de las turbinas de gas de aviación. En el epígrafe 8.3 se comienza el análisis termodinámico de los ciclos en los que se basan las turbinas de gas, partiendo del caso más simple que consiste en considerar que en la instalación evoluciona aire que se comporta como un gas perfecto y despreciando todas las irreversibilidades, entre otras hipótesis. Los resultados que se obtienen no coinciden con el comportamiento de las instalaciones reales, pero permiten al estudiante familiarizarse con el análisis termodinámico de este tipo de ciclos. Posteriormente, en el epígrafe 8.4 se tiene en cuenta que los procesos de compresión y expansión no son reversibles, aunque se mantienen varias de las hipótesis simplificativas de los ciclos ideales. Se ha comprobado que con este planteamiento es posible obtener conclusiones que cualitativamente coinciden con el comportamiento de los ciclos reales. Precisamente este epígrafe incluye una serie de desarrollos matemáticos que pretenden identificar los parámetros fundamentales de los que dependen el trabajo específico y el rendimiento de estos motores térmicos. Se llega a unas expresiones finales, por ejemplo, las ecuaciones [8.17] y [8.23] en el caso del ciclo simple, que permiten comprobar que el trabajo específico y el rendimiento dependen fundamentalmente del rendimiento de las turbomáquinas (c, T), de la relación de compresión, de la temperatura de entrada a la turbina (T03) y de la temperatura de entrada al compresor (T01), (en el caso de las temperaturas a través del parámetro θ). Los desarrollos son importantes para comprobar que realmente existe esa dependencia, pero no hace falta memorizar las expresiones finales ni los desarrollos. Tal como se comprueba en los ejemplos del capítulo, como en los problemas del libro de problemas resueltos, se deben obtener el rendimiento y el trabajo específico a partir de las condiciones termodinámicas de los distintos puntos del ciclo y no utilizando las fórmulas finales, que además pueden no ser adecuadas, ya que algunas de las hipótesis formuladas en su desarrollo pueden no ser pertinentes; por ejemplo puede plantearse una pérdida de carga en un problema, que no se ha considerado en el desarrollo de la fórmula para mayor simplicidad. Sí debe memorizar las conclusiones del estudio paramétrico del epígrafe 8.4, en las que se insiste también en los epígrafes 9.1 y 9.2. Para razonar la influencia de los parámetros debe apoyarse en las gráficas que representan dicha influencia; de otra forma es difícil de razonar, ya que algunos parámetros incluyen en numerador y denominador, en el caso del rendimiento, o en el trabajo de compresión y en el de expansión, en el caso del trabajo específico, de forma que no es intuitivo concluir sobre cuál de los dos términos tiene una mayor influencia. Por ejemplo, al aumentar la relación de compresión, manteniendo T03, aumenta el trabajo de compresión, pero también el de expansión, de forma que no es intuitivo, a priori, saber cómo afecta al trabajo específico, que es la diferencia entre ambos. Sin embargo, al representar la expresión 8.17, en el caso de un ciclo simple (figura 8.11), se comprueba que hay un valor de la relación de compresión para el cuál el trabajo específico alcanza un máximo.

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Capítulo 9

Como se ha mencionado anteriormente, este capítulo comienza por insistir en las conclusiones que se obtuvieron en el capítulo anterior sobre cómo influyen diferentes parámetros que definen el ciclo termodinámico de una turbina de gas sobre la potencia y el rendimiento del motor. En base a dichas conclusiones se establecen los criterios de diseño de estas instalaciones. Los epígrafes 9.3, 9.6 y 9.7 tienen de carácter teórico, de forma que lo que se recomienda al estudiante que elabore resúmenes con las ideas más importantes. En relación con el epígrafe 9.4, se recomienda que realice el problema II.1.1.8 del libro de problemas resueltos. En cuanto al epígrafe 9.5, sólo se pretende que el estudiante entienda el principio de funcionamiento de las turbinas de gas de aviación y, en concreto, de los turborreactores, para entender el concepto de turbina de gas aeroderivada, pero no se van a plantear ejercicios prácticos sobre el análisis termodinámico de los ciclos asociados. Este tipo de problemas, aunque incluidos en el libro de problemas, no se incluyen en el temario de esta asignatura. Este contenido se abordará en la asignatura Motores de Combustión Interna, de carácter optativo.

Capítulo 10

En el capítulo se estudia un tipo de plantas de producción de energía eléctrica muy extendido, y se estudian de forma simplificada las calderas y generadores de vapor. Es necesario alcanzar los objetivos propuestos al inicio del capítulo. Es muy importante conocer la influencia de los principales parámetros sobre el rendimiento, el trabajo y el título de vapor a la salida de la turbina. Asimismo es fundamental saber plantear balances de energía a los elementos de la central, comprender los diagramas T-s y h-s, que en este caso son sustancialmente distintos unos de otros y también distintos de los de las turbinas de gas, así como saber representar y comprender los esquemas mecánicos de las distintas configuraciones y las ventajas de cada una de ellas. Se insiste en conocer los órdenes de magnitud de los principales parámetros. En relación con los problemas, el alumno debe tener presente que el agua, tanto en estado líquido como en estado vapor, no se comporta como un gas ideal. Es un error importante tratarlo de esa forma. El agua se comporta como un líquido perfecto de densidad constante, y el vapor es tratado como una sustancia real, no ideal, y se emplean diagramas y/o tablas para ello. Los datos necesarios para el examen se dan en el enunciado. No es necesario material adicional. En el curso virtual existen diagramas de Mollier para el vapor, para uso exclusivo en casa, no en el examen. También se encuentra la aplicación de prácticas virtuales, que conviene manejar en paralelo con el estudio, ya que es de gran ayuda para afianzar conceptos.

Capítulo 11

En este capítulo se estudian los ciclos combinados de turbinas de gas y de vapor. Estos sistemas son las plantas más actuales y de mayor rendimiento que se instalan en la actualidad. Aprovechan la ventaja de contar con un ciclo con aporte de calor a muy alta temperatura (turbina de gas) y de otro ciclo de baja temperatura que cede calor a temperatura casi ambiental (ciclo de vapor), por lo que el factor de Carnot es notablemente elevado.

M


Es fundamental conocer la ventaja principal de estos ciclos, su alto rendimiento, así como los valores que pueden alcanzar. Además, el alumno debe alcanzar los objetivos marcados en el texto base y realizar los ejercicios propuestos. En relación con las calderas de recuperación de calor, además de saber plantear los balances de energía, el alumno debe conocer los balances de exergía y las fuentes de pérdidas exergéticas asociadas al intercambio de calor. Por tanto, se recomienda repasar el capítulo 2. En relación con los problemas, los relativos a este capítulo tratan simultáneamente con turbinas y de gas y con ciclos de vapor. Por tanto, es necesario saber qué modelos de fluido son los empleados para cada tecnología. En el curso virtual se encontrará el programa para las prácticas virtuales.

Bloque temático 4: TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS

El cuarto y último bloque temático se dedica al análisis del principio de funcionamiento y criterios básicos de diseño de las turbomáquinas térmicas -turbinas y compresores- (capítulos 12, 13 y 14). Se trata de dar una visión general, profundizando, en cierta medida, en el diseño de las turbomáquinas de tipo axial, que son las más empleadas.


Capítulo 12

Como apoyo al estudio este tema y de los siguientes, el alumno dispone de presentaciones multimedia en pdf. Además se recomienda entrar en algunos links recomendados en el curso virtual. Se trata de que el estudiante se familiarice con el diseño constructivo de las turbomáquinas térmicas, para incentivar el estudio termodinámico de estas máquinas que se acomete en la Unidad Didáctica. A pesar de las múltiples figuras que se incluyen en el texto, estas máquinas son difíciles de imaginar y no son tan cotidianas como los motores de combustión interna alternativos, por ejemplo. Es, por tanto, recomendable que el estudiante, sin perder mucho tiempo, acceda a imágenes de máquinas reales a través de los links. Es fundamental que el estudiante entienda los diagramas h-s correspondientes a cada uno de los tipos de escalonamientos. Precisamente porque se ha comprobado que muchos estudiantes encuentran una especial dificultad en este contenido concreto, se han desarrollado las explicaciones multimedia correspondientes.

Capítulo 13

Lo más importante de este capítulo y del siguiente, es llegar conocer cómo es la geometría interna de estas máquinas (turbinas axiales- capítulos 13 y compresores axiales – capítulo 14), entendiendo la relación que existe entre la forma y colocación de los álabes y el trabajo específico y rendimiento de los escalonamientos. Además de las presentaciones multimedia en pdf, el alumno cuenta con otras herramientas didácticas: la práctica virtual CASCADAS, la práctica virtual TURBINA AXIAL. Se pretende que estas aplicaciones informáticas sea una ayuda, pero que el estudiante no pierda mucho tiempo con ellas. Hay que tener en cuenta que estas aplicaciones tienen posibilidades didácticas más amplias de las requeridas para los contenidos de la presente asignatura. Por tanto, es importante que, al margen de lo explicado en el texto de de Cuadernos de la UNED sobre estas prácticas, el estudiante se centre en las recomendaciones sobre el uso de estas prácticas que se puede descargar del curso virtual.

MÁQUINAS TÉRMICAS


Capítulo 14

En este caso el estudiante también cuenta con una explicación multimedia sobre el diagrama h-s del escalonamiento. No obstante, es importante tener presente que la práctica COMPRESOR AXIAL no está especialmente diseñada para la presente asignatura, de forma que el diagrama de velocidades se define en base a dos parámetros que no se han utilizado en el desarrollo del tema (sólo en los anexos). El estudiante, por tanto, debe limitarse a lo indicado en el documento sobre recomendaciones para el uso de esta aplicación informática que puede descargarse del curso virtual. También podrá obtener conclusiones sobre la geometría del compresor a través del programa CASCADAS, siguiendo las recomendaciones del curso virtual. Es importante comentar que las aplicaciones informáticas que se poden a disposición de los estudiantes han sido desarrolladas por alumnos en su proyectos fines de carrera. Por tanto, internamente la programación se corresponde con los planteamientos e hipótesis formuladas en la Unidad Didáctica. En el caso de las turbomáquinas, las pérdidas se han estimado en base a las correlaciones presentadas en el anexo III. 4.- ORIENTACIONES PARA LA REALIZACIÓN DEL PLAN DE ACTIVIDADES

4.1 Test de autoevaluación

El test de autoevaluación al que se ha hecho referencia a lo largo del documento incluye cuestiones de los distintos temas. Sin embargo, las cuestiones de las pruebas presenciales tienen un planteamiento diferente, ya que se pretende que el estudiante pueda contestar de forma breve pero razonada, redactando adecuadamente la respuesta a la cuestión formulada. Se puede acceder a las soluciones del test también a través del curso virtual. Se recomienda que el estudiante utilice este material para realizar una autoevaluación previa al examen presencial, para comprobar si ha asimilado correctamente los conceptos. Puede encontrar una descripción de las distintas actividades que contribuyen a la evaluación continua del estudiante en la primera parte de la Guía de Estudio, en el apartado “EVALUACIÓN”. A continuación se incluye información adicional.

4.2 Pruebas de Evaluación a Distancia. Prácticas Virtuales

Las Prácticas Virtuales tienen carácter voluntario, pero su realización permite al alumno profundizar en los temas relacionados y asimilar mejor los contenidos de la asignatura. Además de los ejercicios que se proponen en el libro de prácticas virtuales, el alumno tendrá que realizar unos ejercicios con la ayuda de estas aplicaciones informáticas que constituirán las Pruebas de Evaluación a Distancia y forman parte de la evaluación continua. Aspectos a tener en cuenta en relación con las PEDs: Se establecen dos fechas límites de entrega: finales de noviembre y mediados de enero. Las fechas

concretas se especificarán en el curso virtual en el mes de octubre.

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Los ejercicios propuestos se colgarán en el curso virtual con una semana de antelación a la fecha límite de entrega.

Se estima un tiempo de resolución de 2 horas por cada PED. Los ejercicios se enviarán a través del curso virtual y serán corregidos por los tutores. Su calificación sólo se computa para modificar la nota final al alza (0,5 puntos máximo por PED)

siempre y cuando se haya aprobado la prueba presencial. Aquellos alumnos que no entreguen los ejercicios dentro de los plazos asignados no podrán

beneficiarse del incremento de la calificación.

4.3 Pruebas Presenciales

La Prueba Presencial constará de una serie de cuestiones (en general entre 8 y 10), que el estudiante deberá responder de forma breve pero razonada y un problema.

Hay que tener en cuenta que para superar la Prueba Presencial se debe obtener una calificación igual o superior a 5 puntos de media en el examen y, además, obtener un 5 o más en la parte teórica y un mínimo de 3 sobre 10 en el problema.

Si no se cumplen ambos requisitos la calificación será de NO APTO, aunque la media resulte ser superior a 5 puntos sobre 10.

Los exámenes (pruebas presenciales) de cursos pasados que aparecen en el curso virtual corresponden también a una asignatura denominada Ingeniería Térmica de 4º curso del antiguo plan de Ingeniero Industrial. Esta asignatura tenía unos contenidos relativamente similares, pero no exactamente coincidentes. Por ejemplo, se estudiaban en detalle las turbinas de gas de aviación, por lo que puede haber preguntas relativas a este tema que ahora no son pertinentes, por no formar parte del temario. Por tanto, habrá que tenerlo en cuenta y consultar en caso de duda.

4.4 Prácticas de Laboratorio presenciales

Las prácticas presenciales son obligatorias y se realizan en Madrid en el laboratorio del departamento de Ingeniería Energética de la UNED (Juan del Rosal, 12 - Madrid).

Con antelación a la realización de las prácticas se incluirá información sobre las mismas en el espacio virtual de la asignatura (actividades y material necesario).

Las imparte el Equipo Docente de la asignatura. Hay una ayuda económica para el desplazamiento y la estancia del estudiante. La secretaría de la Escuela elabora un calendario para coordinar las distintas asignaturas, de

forma que con un único desplazamiento se puedan realizar todas las del mismo curso en días sucesivos.

Las prácticas presenciales tiene lugar después de los exámenes, durante el mes de marzo, o bien en septiembre, ya que se convoca sólo a los alumnos que han aprobado el examen presencial. Con tres meses de antelación respecto de la fecha prevista se publican los calendarios con las fechas concretas en la web de la Escuela.

Las prácticas se realizan en un día, en horario de mañana y tarde. En general se organizan al menos dos grupos en distinta fecha, por lo que se podrá solicitar

cambio de turno si el día que se le asigna no le resulta conveniente. Las prácticas presenciales son obligatorias, pero no se califican. Si no supera la asignatura, pero las ha realizado, no tiene que volver a asistir en cursos

sucesivos.

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